Resultado Triplo Efeito

Nesta subseção são apresentadas as curvas de carga térmica fornecida pelo sistema de concentração solar e a requerida pelo gerador do ciclo de refrigeração por absorção de triplo efeito. Com o objetivo de comparar com os sistemas antes analisados, serão apresentados os casos BE/06 e AE/10.

 CASO BE/06

A Figura 55, Figura 56 e Figura 57 são referentes aos resultados do caso BE/06 (eficiência ótica: 0,5; horas de armazenamento: 6h) para o sistema de triplo efeito.

Figura 55: Comparação das cargas térmicas do 1° quadrimestre, Caso BE/06: Triplo Efeito. Fonte: Elaboração Própria.

Figura 56: Comparação das cargas térmicas do 2° quadrimestre, Caso BE/06: Triplo Efeito. Fonte: Elaboração Própria.

Figura 57: Comparação das cargas térmicas do 3° quadrimestre, Caso BE/06: Triplo Efeito. Fonte: Elaboração Própria.

Para os meses com boa incidência solar (entre novembro e abril), o sistema apresenta resultados satisfatórios com requerimento abaixo de 50% de energia auxiliar. Porém, no segundo quadrimestre o sistema apresenta necessidade de até 91% dessa energia. Isso deve-se a baixa incidência solar nesses meses, pois o sistema de refrigeração de três estágios requer um calor de alta qualidade, ou seja, trabalha a temperaturas elevadas.

 CASO AE/10

A Figura 58, a Figura 59 e a Figura 60 apresentam os resultados para o caso AE/10 do sistema de triplo efeito.

Figura 58: Comparação das cargas térmicas do 1° quadrimestre, Caso AE/10: Triplo Efeito. Fonte: Elaboração Própria.

Figura 59: Comparação das cargas térmicas do 2° quadrimestre, Caso AE/10: Triplo Efeito. Fonte: Elaboração Própria.

Figura 60: Comparação das cargas térmicas do 3° quadrimestre, Caso AE/10: Triplo Efeito. Fonte: Elaboração Própria.

Verifica-se que a produção do mês de janeiro é cerca de 6 vezes maior que a demanda, configurando um alto excedente energético. No primeiro quadrimestre a produção de energia é considerável devido à maiores radiações, o que confere ao sistema uma necessidade média de apenas 12% de energia auxiliar. Nos outros meses o requerimento de energia auxiliar apresenta um valor médio de 56%.

Em média anual o sistema do caso proposto supre cerca de 58% da demanda energética do complexo.

A Tabela 22 apresenta as frações do requerimento de energia auxiliar pela demanda dos casos BE/06 e AE/10 do sistema de triplo efeito para cada mês do ano. Segundo a tabela, a maior diferença entre as frações é verificada no mês de abril com um decréscimo de 37%. A redução média mensal da energia auxiliar entre os casos estudados é de aproximadamente 13%.

De modo geral, ambos os casos apresentam frações de requerimento de energia auxiliar significativamente altas para o segundo quadrimestre do ano. Com isso a diferença de eficiência nos casos influencia significativamente a redução dessa fração, média de 18% nesses quatros meses. Meses como janeiro e fevereiro não apresentaram mudança com a variação proposta pelos casos.

Tabela 22: Fração de requerimento de energia auxiliar para os casos de triplo efeito

Meses Triplo Efeito

(Caso BE/06) Triplo Efeito (Caso AE/10) Janeiro 0% 0% Fevereiro 7% 7% Março 35% 14% Abril 62% 25% Maio 78% 49% Junho 89% 73% Julho 91% 77% Agosto 69% 58% Setembro 60% 53% Outubro 65% 59% Novembro 43% 41% Dezembro 47% 42%

Fonte: Elaboração Própria

Quando comparamos o sistema de duplo efeito com o triplo efeito para os dois casos, verifica-se o maior requerimento de energia auxiliar para o triplo efeito. Apesar de os sistemas de triplo efeito apresentarem coeficientes de performance maiores que os de duplo efeito, esses sistemas requerem uma qualidade alta do calor na sua operação. Com a simulação, verificou-se que os sistemas de triplo efeito, para os dois casos, requerem em média 48% de energia auxiliar. Isso significa um valor médio superior de 28% ao sistema de duplo efeito.

Uma análise exergética (relacionada à qualidade do calor) nos sistemas é muito importante, pois ela permite verificar o comportamento dos sistemas de refrigeração juntamente ao sistema de geração de energia térmica. Esta análise orienta as decisões sobre qual sistema deve ser aplicado com a qualidade energética oferecida. Sistemas que necessitam de alta qualidade, ao serem alimentados com energia de baixa qualidade, terão rendimento indesejado. Da mesma forma, não é razoável do ponto de vista exergético (irreversibilidade), alimentar sistemas que necessitam de baixa qualidade de calor com aporte de alta qualidade, que poderia ser empregado em conversões nobres.

Para uma melhor análise entre quantidade e qualidade de energia nos sistemas de duplo e triplo efeito, propôs-se uma visualização combinada do comportamento horário

da radiação direta normal e da potência térmica do dissipador de calor, apresentada na Figura 61 e Figura 62, para três dias em diferentes épocas do ano. A Figura 61 apresenta o comportamento horário da potência térmica do dissipador de calor e sua interação com a radiação normal direta para os dias 1, 2 e 3 de janeiro. A Figura 62 demonstra esse comportamento para o intervalo de 30 de junho a 2 de julho. O caso simulado para ambas configurações (duplo e triplo efeito) foi o caso AE/10.

Figura 61: Comparação da potência térmica para os casos de duplo e triplo efeito dos dias 1, 2 e 3 de janeiro. Fonte: Adaptado de SAM (2018).

A partir da Figura 61 pode-se observar que nos dias 1 e 3 de janeiro (dias com radiações médias) o sistema de duplo efeito apresenta melhor produção energética, com maior tempo de operação e maior estabilidade (menor número de interrupções na operação). Para o dia de alta radiação direta normal (dia 2 de janeiro) o sistema de triplo efeito apresenta melhor resultado de produção energética, consequência da melhor

qualidade (temperatura) do calor entregue ao gerador do sistema de refrigeração por absorção.

Figura 62: Comparação da potência térmica para os casos de duplo e triplo efeito dos dias 30 de junho,1 e 2 de julho. Fonte: Adaptado de SAM (2018).

Como observado na Figura 62, para meses com radiações mais baixas o sistema de duplo efeito apresenta produções diárias mais satisfatórias, o que pode ser observado nas curvas mais abertas ao longo do dia. Mesmos que sistemas de triplo efeito configurem-se como sistemas de menor requerimento energético, estes necessitam de uma melhor qualidade de calor. Nos dias de menor radiação sua performance torna-se inferior aos sistemas de duplo efeito apresentando curvas de produção energética mais fechadas (menor horas de operação durante o dia). Isto evidencia que apesar dos sistemas de triplo efeito demandarem menor quantidade energética, estes necessitam de uma maior qualidade de energia (calor a maior temperatura) que está diretamente relacionada ao nível de radiação direta local.

Em conclusão, os resultados aqui apresentados indicam o sistema de duplo efeito como o de melhor desempenho. No entanto, vale ressaltar que os resultados são referentes à aplicação do sistema de condicionamento solar em um sítio específico com média radiação direta, deste modo o destaque para o sistema de duplo efeito não é um resultado universal. Para outros sítios com melhores níveis de radiação, o sistema de refrigeração por absorção de triplo efeito pode apresentar resultados mais satisfatórios.

5 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES

Esta dissertação teve como objetivo geral a avaliação de um sistema de condicionamento solar em um Complexo Universitário na cidade de Macaé, a partir de um procedimento de simulação combinada de conforto-térmico de uma edificação e de sistemas solar de concentração associado à refrigeração por absorção. Buscou, assim, propor e testar um procedimento metodológico aplicado a um sistema alternativo de energia. Ademais, desenvolveu esta metodologia para identificação da melhor configuração possível de um sistema de resfriamento em diferentes níveis de eficiência ótica no Campus UFRJ-Macaé.

Para a concretização desse objetivo, foram realizadas simulações para a determinação da carga térmica requerida pela edificação e da energia produzida pelo sistema de concentração solar. A metodologia empregada foi essencial para a obtenção do comportamento entre a energia demandada e ofertada no sistema. Para a simulação da carga térmica foi utilizado um conjunto de softwares: SketchUp 2017, OpenStudio 2.8.0 e EnergyPlus 8.7.0.. Para a determinação da energia térmica produzida pelo campo solar e sua operação junto ao sistema de armazenamento foi utilizado o software System Advisor Model (SAM). Esta ferramenta foi utilizada na medida do possível para as condições óticas e geométricas da calha parabólica que está sendo desenvolvida atualmente na Engenharia Mecânica do Campus de Macaé. Após a simulação, ainda foi realizado o trabalho de refinamento e manipulação de dados em planilha eletrônica, de forma a avaliar de forma horária a diferença entre a energia demandada e ofertada. Com isso, foi possível a determinação da energia auxiliar requerida no sistema para sua correta operação. A estimativa da energia auxiliar permitiu também averiguar a adequação energética do sistema proposto ao caso campus universitário em tela, sob a ideia de que este sistema poderia não apenas ter funções de planta-piloto e, portanto, de aprendizado tecnológico, mas também contribuir para atendimento da demanda de condicionamento do local.

A integração dos softwares SketchUP, OpenStudio e EnergyPlus se mostrou uma importante ferramenta para a determinação da carga térmica das edificações. De forma a proporcionar os valores da carga térmica e das temperaturas de pico para as diversas zonas térmicas dos prédios universitários. Os programas utilizados permitiram uma modelagem

apropriada da edificação, assim como a introdução dos parâmetros construtivos e do perfil de utilização dos ambientes. Assim, possibilitando a determinação, com proximidade da realidade, do consumo energético de condicionamento da edificação. A carga térmica simulada obteve o valor de 790.716 W.

O software SAM possibilitou a simulação dos aspectos técnicos e energéticos de forma a determinar a produção de energia para o funcionamento do sistema de condicionamento. Para a análise do sistema foram propostos diferentes casos de operação da planta. Em todos os casos simulados foi empregado o mesmo tipo de tecnologia concentradora solar, porém com diferentes valores de eficiência ótica (0,5; 0,6; 0,7), conforme dados da literatura e da calha sendo desenvolvida atualmente em Macaé. Também, foram empregados diferentes tipos de configurações do sistema de refrigeração por absorção (simples, duplo e triplo efeito), a partir de informações da literatura coerentes com a análise termodinâmica destas alternativas. Essas simulações foram realizadas variando, também, as horas do armazenamento de energia térmica (6h, 8h e 10h).

Com o desenvolvimento do presente estudo, foram verificados valores satisfatórios para o sistema de duplo efeito. Esse sistema requer em média 20% de energia auxiliar na sua operação anual, variando entre autossuficiência no mês de janeiro ao pico de necessidade em julho. Quando comparado aos sistemas de simples e triplo efeito, esse valor apresenta uma diferença de, respectivamente, 35% e 28%.

Assim, apesar de o sistema de triplo efeito ser um sistema de melhor desempenho, e consequentemente menor requerimento de quantidade de energia, ele necessita de um aporte de calor a maiores temperaturas comparado ao sistema de duplo efeito. Devido a localidade de aplicação do sistema de concentração solar apresentar média irradiação direta, o sistema de duplo efeito apresenta-se como um sistema mais adequado para a aplicação.

Desta forma, percebe-se a solução de compromisso entre a quantidade e qualidade de energia em sistemas operados a calor, o que é bem flagrante em Macaé. O sistema de refrigeração por absorção de triplo efeito apesar de requerer menor quantidade de energia para seu funcionamento, este necessita de um calor de maior temperatura. Portanto, sugerem-se estudos desse sistema aplicado em outras localidades, pois a inserção do sistema de triplo efeito em lugares com maior radiação normal direta poderia apresentar

resultados satisfatórios. De fato, em meses com maiores radiações diretas (casos de janeiro, fevereiro e março), o sistema de triplo efeito apesentou bons resultados, ou seja, menor requerimento de energia auxiliar.

Logo, a partir dos resultados expostos no capítulo anterior, notou-se que o sistema de duplo efeito apresentou, mesmo para o caso de baixa eficiência ótica nos concentradores, bons resultados energéticos. No mês de janeiro o sistema de condicionamento solar de duplo efeito é autônomo, em outros meses como: fevereiro, novembro e dezembro, requer menos de 10% de energia auxiliar. Em geral, os resultados foram considerados satisfatórios para essa configuração, sendo esta a configuração de melhor aplicabilidade na localidade do presente estudo.

Deste modo, a contribuição desse trabalho foi de propiciar as condições para futuras aplicações do sistema de condicionamento numa universidade pública, em que essa planta piloto de concentração solar pode ser desenvolvida e aperfeiçoada pelo corpo docente e discente. Assim como, estimular a inserção desse sistema em outras edificações públicas como escolas e hospitais.

Mesmo que a análise tenha priorizado a questão energética, recomendam-se estudos econômicos para a implantação do sistema de condicionamento solar. Já que uma limitação presente nesse trabalho foi a estimativa dos custos reais relativos ao componentes do campo solar, do sistema de armazenamento e do sistema de refrigeração por absorção nas suas diversas configurações. Para isso, torna-se necessária a determinação dos fatores econômicos reais envolvidos nesse projeto. Não obstante, nota- se aqui que a ideia de um sistema de condicionamento solar em uma universidade também se traduz no ganho de conhecimento e na formação de pesquisadores e engenheiros no tema, com a possibilidade, inclusive, de efeitos multiplicadores como criação de empresas no tema que poderiam reduzir os custos dos sistemas.

Ademais, como proposta para trabalhos futuros, recomenda-se o estudo desse projeto com a aplicação de outras tecnologias solares, assim como a introdução de sistemas com maiores horas de armazenamento. De forma a tornar o sistema de refrigeração solar mais renovável, propõe-se também que os sistemas de energia auxiliar se baseiem em combustíveis derivados da biomassa, idealmente o biometano pela facilidade da sua queima.

Por fim, sugere-se também a elaboração de um estudo sobre políticas de incentivos à inserção de refrigeração solar em edificações públicas. Visto que a construção de uma planta de refrigeração em uma universidade pública favoreceria o desenvolvimento desse sistema no país, em termos de conhecimento, formação de pessoal, e possibilidade de geração de emprego e renda.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ABNT-ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, NBR 15220: “Desempenho Térmico de Edificações – Parte 1 (Definições, Símbolos e unidades), Parte 2 (Métodos de cálculo da transmitância térmica, da capacidade térmica, do atraso térmico e do fator solar de elementos e componentes de edificações). ” Rio de Janeiro, 2003. ABNT-ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, NBR 16401: “Instalações de Ar Condicionado – Sistemas Centrais e Unitários – Parte 1 (Projetos das Instalações), Parte 2 (Parâmetros de Conforto Térmico), Parte 3 (Qualidade do ar interior). ” Rio de Janeiro, 2008.

ABREU, A. F. Sistema de Refrigeração por Absorção Intermitente: Concepção, Dimensionamento, Construção, Ensaio e Considerações Econômicas, Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) – Universidade de São Paulo, Programa Interunidades de Pós- graduação em Energia, São Paulo, 1999.

AGUILAR-JIMÉNEZ, J.A.; VELÁZQUEZ-LIMÓN, N.; LÓPEZ-ZAVALA, R.; GONZÁLEZ-URIBE, L.A.; ISLAS, S. ; GONZÁLEZ, E.; RAMÍREZ, L.; BELTRÁN, R. Optimum operational strategies for a solar absorption cooling system in an isolated school of Mexico, International Journal of Refrigeration, Volume 112, 2020.

ALGHOUL, Samah & RIJABO, Hassan & MASHENA, Mohamed. (2017). Energy Consumption in Buildings: A Correlation for the Influence of Window to Wall Ratio and Window Orientation in Tripoli, Libya. Journal of Building Engineering. 2017.

ALMEIDA, Mateus Barros. Análise de perfil de temperatura do tubo absorvedor de concentradores solares por meio de simulação computacional - Macaé: UFRJ, 2018. AL-ZUBAYDI, Ahmed Y Taha. Building Models Design And Energy Simulation With Google Sketchup And Openstudio. 2013

ANAPOLSKI, J. L. P.; INDRUSIAK, M. L. S. Síntese Energética De Uma Rede De Trocadores De Calor De Um Processo De Refino De Óleo De Soja: Energetic synthesis of a network of heat exchangers in a soybean oil refining process. Perspectiva, Erechim. v. 39, n.146, p. 27-42, junho/2015.

ANEEL, Agência Nacional de Energia Elétrica –. CHAMADA 019/2015: PROJETO ESTRATÉGICO: “DESENVOLVIMENTO DE TECNOLOGIA NACIONAL DE GERAÇÃO HELIOTÉRMICA DE ENERGIA ELÉTRICA”. 2015.

ARANTES, Beatriz. Conforto térmico em habitações de interesse social – Um estudo de caso / Beatriz Arantes, 2012.

ASHRAE 2001 Handbook Committee ASHRAE, American Society Of Heating, Refrigerating And Airconditioning Engineers. Atlanta 2001.

AZHAR, Md; SIDDIQUI M. A.; Comprehensive exergy analysis and optimization of operating parameters for double effect parallel flow absorption refrigeration Cycle, Thermal Science and Engineering Progress, Volume 16, 2020. Disponível em: < http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2451904919301167>.

BANU, P.S. A; SUDHARSAN, N.M., Review of water based vapour absorption cooling systems using thermodynamic analysis, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 82, Part 3,2018, Pages 3750-3761, 2018.

BASSO, Luiz H., SOUZA, Samuel N. M. de, SIQUEIRA, Jair A. C., NOGUEIRA, Carlos E. C., & SANTOS, Reginaldo F.. (2010). Análise de um sistema de aquecimento de água para residências rurais, utilizando energia solar. Engenharia Agrícola, 30(1), 14-21. 2010. BERECHE, R. P. Avaliação de sistemas de refrigeração por absorção H2O/LiBr e sua possibilidade de inserção no setor terciário utilizando gás natural. Campinas, 2007. BLAIR, N.; DIORIO, N., FREEMAN, J.; GILMAN, P.; JANZOU, S.; NEISES, T.; WAGNER, M. 2018. System Advisor Model (SAM) General Description (Version 2017.9.5). Golden, CO: National Renewable Energy Laboratory. NREL/ TP-6A20- 70414. 2018.

BRIGHT SOURCE. Ivanpah Project Facts. Disponível em: <http://www.brightsourceenergy.com/stuff/contentmgr/files/0/8a69e55a233e0b7edfe14 b9f77f5eb8d/folder/ivanpah_fact_sheet_3_26_14.pdf>. 2010

CARMO, N. R. M. Desenvolvimento De Software Para Discretização De Cilindro – Parabólico. UFRJ Macaé – RJ. Dezembro de 2016

CASTRO, L. C. Análise Comparativa Para Geração De Energia Heliotérmica Em Diferentes Regiões Brasileiras. Brasília, 2016.

CERETO, A. C. Integração Energética da Rede de Trocadores de Calor em Extração por Solvente para a Produção de Farelo Branco de Soja. Universidade Federal do Rio Grande do Sul. 2004.

DGS, Deutsche Gesellshaft für Sonnenenergie. Planning and installing solar termal systems: a guide for installers, architects and engineers. Deutsche Gesellschaft für Sinnenenergie (German Solar Energy Society), United Kingdom. 2005

DROSOU, Vassiliki & KOSMOPOULOS, Panos & PAPADOPOULOS, Agis. (2016). Solar cooling system using concentrating collectors for office buildings: A case study for Greece. Renewable Energy. 2016

DUFFIE, J. A., BECKMAN, W. A. Solar engineering of thermal processes. 3. Ed. New York: John Wiley & Sons, 2013.

DULAC, John; ABERGEL, Thibaut; DELMASTRO, Chiara. IEA (2019), "Tracking Buildings", IEA, Paris. Disponível em:< https://www.iea.org/reports/tracking-buildings> EERE. Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (2019). Disponível em;< https://www.energy.gov/eere/buildings/downloads/openstudio-0>.

EISA, M. A. R. & DEVOTTA, S. & HOLLAND, F. A., 1986. "Thermodynamic design data for absorption heat pump systems operating on water-lithium bromide: Part I-- Cooling," Applied Energy, Elsevier, vol. 24(4), pages 287-301. 1986.

EKOS BRASIL. Introdução ao Sistema de Aquecimento Solar. São Paulo, 2010.

Disponível em:

<https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/60551/mod_resource/content/1/Apostila_Aqu ecimento_Solar.pdf>

ENERGYPLUS. Disponível em: https://energyplus.net/ 2019. Acesso em: agosto de 2019.

EZEANYA, Emeka & MASSIHA, Gholam & SIMON, William & Chambers, Terrence. System Advisor Model (SAM) simulation modelling of a concentrating solar thermal power plant with comparison to actual performance data. Cogent Engineering. 2018. FASFOUS, A. & AL ASFAR, Jamil & HAMDAN, Mohammed & AL-SALAYMEH, & SAKHRIEH, Ahmad & AL-HAMAMRE, Zayed & AL BAWAB, Abeer. Potential of

utilizing solar cooling in The University of Jordan. Energy Conversion and Management. vol. 65 pp. 729–735. 2013.

FITCHNER (2010) Technology Assessment of CSP Technologies for a Site Specific Project in South Africa Final Report. Washington DC. 2010.

FLOUDAS, C. A.; GROSSMANN, I. E. Synthesis of flexible heat exchanger networks with uncertain flowrates and temperatures. Computers & Chemical Engineering, v. 11, n. 4, p. 319-336, 1987.

GAZOLI, J. R. et al. Dimensionamento Básico Do Campo Solar De Concentradores Cilindro-Parabólico Da Usina Termosolar Porto Primavera. VII Congresso Brasileiro de Energia Solar, p. 10, 2018.

GEYER, M. Solar Power and Chemical Energy Systems. SolarPACES Annual Report, 2007. Disponível em: http://www.solarpaces.org/wp-content/uploads/SolarPACES- Annual-Report-2007_final.pdf.

GROSSMAN, Gershon. Solar-powered systems for cooling, dehumidification and air- conditioning, Solar Energy, Volume 72, 2002.

GUIMARÃES, Luiz G. M. Modelagem e construção de protótipo de Refrigerador por absorção de vapor de baixa potência operando com o par água-brometo de lítio e utilizando fontes térmicas de baixa temperatura. Tese de Mestrado. São João del-Rei, 2011.

GÜNTHER, M.; JOEMANN, M.; CSAMBOR, S.. Advanced CSP Teaching Materials. Chapter 5: Parabolic Trough Technology ENERMENA & DRL. 2011.

HAU, ONG. B., Thermodynamic Analysis Of Absorption Refrigeration System (Ars). Universiti Malaysia Pahang. May 2010.

HELIOCSP. Reliance commissions 100 MW concentrated solar power plant in Rajasthan, India. HELIOCSP,2018. Disponível em: <http://helioscsp.com/tag/rajasthan- sun-technique-energy/>. Acesso em: 20/01/2020.

IEA (2010). Technology Roadmap Concentrating Solar Power. França, 2010.

IEA (2018a), "The Future of Cooling", IEA, Paris (2018). Disponível em: <https://www.iea.org/reports/the-future-of-cooling.>.

IEA (2018b), “Renewables 2018, Analysis and Forecasts to 2023”, IEA, Paris (2018). Disponível em: < https://webstore.iea.org/download/direct/2322>.

IRENA, International Renewable Energy Agency. Concentrating Solar Power Technology Brief. 2013.

IRENA (2019a), “Transformando O Sistema Energético”. Disponível em: <